一种太赫兹滤波器及其加工方法与流程

本发明涉及滤波器技术领域，特别是指一种太赫兹滤波器及其加工方法。

背景技术：

太赫兹波是“光”能量的一种，是指波长在3μm到1000μm之间，频率为0.1～10thz的，介于微波与红外线之间的电磁波。太赫兹(可简写作thz)波所具有的独特性质，使它在天体物理学、材料科学、生物医学、环境科学、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广泛应用。目前，太赫兹波技术在许多领域已经得到应用，并且未来还存在着无限的可能。

太赫兹波滤波器作为电子系统中重要的功能器件，在太赫兹通信系统、太赫兹检测系统中被广泛应用。在太赫兹波的实际应用中，由于大部分的应用环境中都存在着噪声等影响因素，因此需要利用太赫兹波滤波器来滤除不需要的频率和噪声，得到实际应用中所需要的太赫兹信号，以提高电子系统的整体性能。近些年，太赫兹波已经取得了一系列进展，不管是学术界还是工业界，太赫兹技术已经渐渐成为世界范围内广泛研究的热点。

现有技术中的太赫兹滤波器主要包含芯体和封装外壳两部分，但是芯体的材质较脆，这使得现有技术中的太赫兹滤波器极容易出现损坏。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种太赫兹滤波器及其加工方法，其能够对太赫兹滤波器的芯体提供更加优良的保护，增强太赫兹滤波器的强度和使用寿命。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种太赫兹滤波器，包含芯体和封装外壳，芯体中最小结构尺寸在10微米量级，芯体内具有基于微机电系统和深反应离子刻蚀技术加工而成的波导腔，封装外壳内具有与芯体的外部规格尺寸一致的芯体腔，芯体腔在各个方向上均具有腔壁，芯体位于芯体腔内，封装外壳将芯体完全包裹，芯体腔的两端各设有一条直线形导孔，导孔的一端与芯体的波导腔相接，导孔的另一端开口于封装外壳的外表面，导孔与波导腔处于一条直线上，导孔的径向截面与波导腔的径向截面尺寸一致。

可选地，封装外壳包含结构对称的上封装外壳和下封装外壳，上封装外壳内具有上型腔，下封装外壳内具有下型腔，芯体腔和导孔由上型腔和下型腔共同构成。

此外，本发明还提供一种太赫兹滤波器制造方法，该方法用于制造如上任一项所述的太赫兹滤波器，该方法包括如下步骤：

(1)使用微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，简称mems)，并基于深反应离子刻蚀(deepreactiveionetching，简称drie)技术制造太赫兹滤波器的芯体；

(2)使用计算机数字控制机床(computerizednumericalcontrolmachine，简称cnc)加工太赫兹滤波器封装外壳的外部结构以及包含芯体腔和导孔在内的内部结构；

(3)将芯体封装在封装外壳内，使封装外壳将芯体完全包裹。

可选地，步骤(1)的具体方式为：

(101)利用第一掩模板对第一硅片的上表面进行第一次光刻，在第一硅片上形成第一阻挡层；

(102)在第一阻挡层的基础上，使用微机电系统，并基于深反应离子刻蚀技术对第一硅片进行第一次刻蚀，在第一硅片的上表面上形成用于构成波导腔的凹槽；

(103)利用第二掩模板对第一硅片进行第二次光刻，在第一硅片上形成覆盖凹槽的、用于在第一硅片上划出单个器件轮廓的第二阻挡层；

(104)在第二阻挡层的基础上，使用微机电系统，并基于深反应离子刻蚀技术对第一硅片进行第二次刻蚀直至硅片被刻穿，将第一硅片预先划分为单个器件；

(105)对第一硅片进行镀金，使得第一硅片中每个单个器件的上表面及侧面均覆盖镀金层；

(106)另取与第一硅片尺寸相同的第二硅片，在第二硅片的一面上进行镀金；

(107)将第二硅片的镀金面与第一硅片的上表面贴合，并通过金-金键合工艺将第一硅片和第二硅片结合起来；

(108)利用与第二掩模板图案相同的掩模板对第二硅片进行第三次光刻，在第二硅片上形成与单个器件轮廓相同的图案；

(109)划片以形成芯体。

可选地，步骤(105)和步骤(106)中镀金的具体方式为：

(x01)使用物理气相沉积(physicalvapordeposition，简称pvd)技术在硅片的表面溅射一层50～200纳米厚的第一金层；

(x02)利用电镀工艺，在第一金层的表面上再电镀一层100～2000纳米厚的第二金层，第一金层和第二金层的总厚度至少为1微米；

(x03)利用化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，简称cmp)工艺对第二金层的表面进行抛光，使得第二金层的表面平整度在50纳米范围内。

可选地，第一次刻蚀的速度为2～4微米/分钟。

可选地，封装外壳包含结构对称的上封装外壳和下封装外壳，上封装外壳具有上型腔，下封装外壳具有下型腔，上型腔和下型腔共同构成包含芯体腔和导孔在内的封装外壳内部结构；步骤(2)的具体方式为：

(201)使用计算机数字控制机床以10微米以内加工精度加工上封装外壳的外部结构和上型腔；

(202)使用计算机数字控制机床以10微米以内加工精度加工下封装外壳的外部结构和下型腔；

(203)在上封装外壳和下封装外壳的表面分别镀一层金属金。

从上面所述可以看出，本发明的有益效果在于：

1、现有技术中太赫兹滤波器的芯体长度与封装外壳的长度相同，封装外壳的两端开有通孔，芯体插入在通孔内，芯体的两端与封装外壳的外表面相平齐，因此芯体的两端是裸露在外的。这样，由于芯体材质脆弱，因此现有技术中的太赫兹滤波器极其容易损坏。有鉴于此，本发明太赫兹滤波器将芯体的长度缩短，从而使封装外壳将芯体完全包裹，提高了整个太赫兹滤波器的强度，增长了太赫兹滤波器的使用寿命。

2、由于本发明中的封装外壳将芯体完全包裹，因此本发明还在封装外壳中设置了导孔，从而将芯体中的波导腔与外界连通。

3、由于太赫兹频率高，滤波器内枝节结构细小，尺寸结构在10微米量级，传统高精度cnc技术加工难度大，因此本发明提出了一种基于mems和drie技术的全新的芯体加工方法，该方法能够保证凹槽的精度及表面平整度，使得凹槽侧壁的垂直度大于89度，解决了现有技术加工方法难于加工小尺寸芯体的问题。

总之，本发明提供了一种全新结构的太赫兹滤波器，并针对这种滤波器设计了全新的加工方法，从而使得本发明太赫兹滤波器既能保证滤波性能，同时又具有极好的强度，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种太赫兹滤波器的结构示意图；

图2为图1中芯体的结构示意图；

图3为图2的a面剖视图；

图4～12为本发明实施例中一种太赫兹滤波器制造方法的每一个步骤的芯体结构示意图；

图13为芯体内部波导腔的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种太赫兹滤波器，包含芯体2和封装外壳1，芯体2中最小结构尺寸在10微米量级，芯体2内具有基于微机电系统和深反应离子刻蚀技术加工而成的波导腔21，波导腔21内具有膜片22，封装外壳1内具有与芯体2的外部规格尺寸一致的芯体腔(未图示，即图1中芯体2所占据的位置)，芯体腔在各个方向上均具有腔壁，芯体位于芯体腔内，封装外壳1将芯体2完全包裹，芯体腔的两端各设有一条直线形导孔11，导孔11的一端与芯体2的波导腔21相接，导孔11的另一端开口于封装外壳1的外表面(即图1中的孔口12)，导孔11与波导腔21处于一条直线上，导孔11的径向截面与波导腔21的径向截面尺寸一致。

可选地，封装外壳包含结构对称的上封装外壳和下封装外壳，上封装外壳内具有上型腔，下封装外壳内具有下型腔，芯体腔和导孔由上型腔和下型腔共同构成。

一种太赫兹滤波器制造方法，该方法用于制造如上任一项所述的太赫兹滤波器，该方法包括如下步骤：

(1)使用微机电系统，并基于深反应离子刻蚀技术制造太赫兹滤波器的芯体；

(2)使用计算机数字控制机床加工太赫兹滤波器封装外壳的外部结构以及包含芯体腔和导孔在内的内部结构；

(3)将芯体封装在封装外壳内，使封装外壳将芯体完全包裹。

可选地，步骤(1)的具体方式为：

(101)利用第一掩模板对第一硅片的上表面进行第一次光刻，在第一硅片上形成第一阻挡层(见图4)；

(102)在第一阻挡层的基础上，使用微机电系统，并基于深反应离子刻蚀技术对第一硅片进行第一次刻蚀，在第一硅片的上表面上形成用于构成波导腔的凹槽(见图5)；

(103)利用第二掩模板对第一硅片进行第二次光刻，在第一硅片上形成覆盖凹槽的、用于在第一硅片上划出单个器件轮廓的第二阻挡层(见图6)；

(104)在第二阻挡层的基础上，使用微机电系统，并基于深反应离子刻蚀技术对第一硅片进行第二次刻蚀直至硅片被刻穿，将第一硅片预先划分为单个器件(见图7)；

(105)对第一硅片进行镀金，使得第一硅片中每个单个器件的上表面及侧面均覆盖镀金层(见图8)；

(106)另取与第一硅片尺寸相同的第二硅片，在第二硅片的一面上进行镀金(见图9)；

(107)将第二硅片的镀金面与第一硅片的上表面贴合，并通过金-金键合工艺将第一硅片和第二硅片结合起来(见图10)；

(108)利用与第二掩模板图案相同的掩模板对第二硅片进行第三次光刻，在第二硅片上形成与单个器件轮廓相同的图案(见图11)；

(109)划片以形成芯体(见图12)。

可选地，步骤(105)和步骤(106)中镀金的具体方式为：

(x01)使用物理气相沉积技术在硅片的表面溅射一层50～200纳米厚的第一金层；

(x02)利用电镀工艺，在第一金层的表面上再电镀一层100～2000纳米厚的第二金层，第一金层和第二金层的总厚度至少为1微米；

(x03)利用化学机械抛光工艺对第二金层的表面进行抛光，使得第二金层的表面平整度在50纳米范围内。

可选地，第一次刻蚀的速度为2～4微米/分钟。

可选地，封装外壳包含结构对称的上封装外壳和下封装外壳，上封装外壳具有上型腔，下封装外壳具有下型腔，上型腔和下型腔共同构成包含芯体腔和导孔在内的封装外壳内部结构；步骤(2)的具体方式为：

(201)使用计算机数字控制机床以10微米以内加工精度加工上封装外壳的外部结构和上型腔；

(202)使用计算机数字控制机床以10微米以内加工精度加工下封装外壳的外部结构和下型腔；

(203)在上封装外壳和下封装外壳的表面分别镀一层金属金。

最后，本具体实施方式部分给出几个用上述方法制造的滤波器的具体案例，制作出的芯体其波导腔结构如图13所示：

以下滤波器的设计中心频率均为340ghz，波导口结构尺寸均为0.355mm*0.71mm，导孔11的长度均为6.8mm，芯体2的尺寸均为1.5mm*1mm*2.2mm，封装外壳1的长度均为20.12mm。

a)结构1301为0.04mm，结构1302为0.06mm，结构1303为0.06mm，结构1304为17mm，结构1305为0.22mm，结构1306为0.24mm，结构1307为0.46mm，结构1308为0.52mm。所得滤波器的实际中心频点为340ghz，带宽为20ghz，带内插损小于1db，回波损耗大于20db。

b)结构1301为0.04mm，结构1302为0.06mm，结构1303为0.06mm，结构1304为17mm，结构1305为0.22mm，结构1306为0.24mm，结构1307为0.44mm，结构1308为0.5mm。所得滤波器的实际中心频点为338ghz，带宽为19.5ghz，带内插损小于1db，回波损耗大于20db，

c)结构1301为0.04mm，结构1302为0.06mm，结构1303为0.06mm，结构1304为17mm，结构1305为0.22mm，结构1306为0.24mm，结构1307为0.42mm，结构1308为0.48mm。所得滤波器的实际中心频点为342ghz，带宽为20.6ghz，带内插损小于1db，回波损耗大于20db。

可见，采用本发明方法制得的滤波器具有良好的性能。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子。凡在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。